Гравитационное линзирование


Как действует гравитационное линзирование

Сейчас этот эффект был многократно зафиксирован, а предсказан он был общей теории относительности Эйнштейна. Согласно которой пространство искажается под воздействием массы, в отличие от того, как пространство видел Ньютон. Если кратко — это принцип действия гравитации.

Вам наверно знакома, весьма известная демонстрация, где под весом шара, который изображает тело прогибается ткань, которая играет роль пространства.

Долгое время считалось, что свет распространяется только по прямой. Но гравитационное поле тела искажая пространство изгибает траекторию движения света. Подобно тому как это делает линза. Именно поэтому эффект и называется гравитационным линзированием.

Хорошо он заметен при наличии очень большой массы, как у галактик или скоплении галактик. Сильные искажения — это сильное гравитационное линзирование, но и менее массивные объекты, такие как звёзды вызывают этот эффект.

Содержание

  • 1 Наблюдения
  • 2 Теория
  • 3 См. также
  • 4 Ссылки
  • 5 Литература

Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты, например, звёзды, тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение не представляется возможным. В этом случае можно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза пройдёт между Землёй и фоновым объектом. Если объект-линза яркий, то заметить такое изменение практически невозможно. Если же объект-линза не яркий или же не виден совсем, то такая кратковременная вспышка вполне может наблюдаться. События такого типа называются микролинзированием

. Интерес здесь связан не с самим процессом линзирования, а с тем, что он позволяет обнаружить массивные и не видимые никаким иным способом плотности материи.

Ещё одним направлением исследований микролинзирования стала идея использования каустик для получения информации как о самом объекте-линзе, так и о том источнике, чей свет она фокусирует. Подавляющее большинство событий микролинзирования вполне вписывается в предположение, что оба тела сферической формы. Однако в 2—3 % всех случаев наблюдается сложная кривая яркости, с дополнительными короткими пиками, которая свидетельствует о формировании каустик в линзированных изображениях[1]. Такая ситуация может иметь место, если линза имеет неправильную форму, например, если линза состоит из двух или более тёмных массивных тел. Наблюдение таких событий безусловно интересно для изучения природы тёмных компактных объектов. Примером успешного определения параметров двойной линзы с помощью изучения каустик может служить случай микролинзирования OGLE-2002-BLG-069[2]. Кроме того, имеются предложения по использованию каустического микролинзирования для выяснения геометрической формы источника, либо для изучения профиля яркости протяжённого фонового объекта, и в частности для изучения атмосфер звёзд-гигантов.

Первое подтверждение теории

Первое экспериментальное подтверждение было сделано именно с помощью звёзд. Во времена появление общей теории относительности не было современных возможностей, чтобы подтвердить предсказание теории, засняв эффект линзирования на удалённых скоплениях галактик.

Самым ближайшим массивным объектом, который мог максимально изогнуть свет было Солнце. В 1917 году Фрэнк Дайсон Уотсон задумал эксперимент, согласно предсказаниям теории Эйнштейна, положение звёзд, когда они визуально находятся у края диска Солнца должно немного изменяться. И этот эксперимент удалось провести уже через два года под управлением Артура Эддингтона в 1919 году.

Во время полного солнечного затмения, благодаря тому, что в момент полной фазы диск Солнца был закрыт Луной, звёзды были видны и удалось измерить их положение. А затем данные измерений сравнили с обычным положением и оказалось, что они действительно сместились визуально находясь рядом с Солнцем.

Это подтвердило, что массивные объекты, действительно искажают пространства и вместе с ним траекторию движения света. Это подтверждение тут же сделала Эйнштейна знаменитостью. Уже после было проведено ещё немало экспериментов, ещё больше укрепившие позиции теории Эйнштейна.

Крест и Кольцо Эйнштейна

Кроме уже упомянутого Креста Эйнштейна, ещё выделяют Кольцо Эйнштейна — это когда объект искажаясь принимает форму кольца. Как, например, на этом снимке.

Вы наверняка видели различные визуализации чёрных дыр, и они всегда сопровождаются похожим эффектом, когда чёрная дыра визуально искажает, то что находится за ней. Учитывая, что чёрная дыра — это мощнейший источник гравитации здесь действует тот же принцип только намного заметнее, чем в случае со звёздами.

Поиск гравитационных линз[ | ]

В прошлом большинство гравитационных линз было найдено случайно. Поиск гравитационных линз в северном полушарии (Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS), который проводили при помощи сверхбольшой антенной решётки в Нью-Мексико, позволил обнаружить 22 новые линзирующие системы. Это открыло совершенно новые пути исследования от поиска очень далёких объектов до определения величин космологических параметров для лучшего понимания вселенной.[источник не указан 1128 дней

]

Подобное исследование из южного полушария позволило бы нам сделать большой шаг к завершению исследований из северного полушария, а также к выявлению новых объектов для изучения. Если такое исследование будет проведено при помощи хорошо откалиброванных и хорошо настроенных инструментов, то можно ожидать результатов, подобных тем, что были получены в ходе исследования из северного полушария. Примером подходящих данных являются данные, полученные с помощью австралийского телескопа AT20G на базе радиоинтерферометра АТКА. Так как данные были получены с помощью прибора, измеряющего точные данные, похожего на тот, что использовали в северном полушарии, стоит ожидать хороших результатов исследования. AT20G работает на частоте до 20 ГГц в радио полях электромагнитного спектра. Так как используется высокая частота, шансы найти гравитационные линзы вырастают, ведь повышается количество малых базовых объектов (например, квазаров). Это важно, так как проще обнаружить линзу на примере более простых объектов. Этот поиск включает в себя использование интерференционных методов определения примеров и наблюдение за ними в более высоком разрешении. Полное описание проекта сейчас готовится к публикации.[источник не указан 1128 дней

]

В 2009 г. в статье в Science Daily[где?

] группа учёных, возглавляемая космологом[
кем?
] из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, шагнула вперёд в использовании гравитационного линзирования для изучения более старых и меньших по размеру объектов, чем было возможно изучить ранее. Учёные утверждают, что слабое гравитационное линзирование улучшает качество измерений отдалённых галактик.[
источник не указан 1128 дней
]

Астрономы из общества научных исследований имени Макса Планка обнаружили самую отдалённую на тот момент галактику с эффектом гравитационного линзирования (J1000+0221) с помощью телескопа Хаббл НАСА. На данный момент эта галактика остаётся самой отдалённой, разделяющей изображение на четыре. Однако международной командой астрономов с помощью телескопа Хаббл, телескопа обсерватории Кека и спектроскопии была обнаружена ещё более отдалённая галактика, раздваивающая изображение. Открытие и анализ линзы IRC 0218 были опубликованы в Astrophysical Journal Letters 23 июня 2014 г.[источник не указан 1128 дней

]

Чем оно полезно для нас

Гравитационное линзирование — это непросто интересный эффект. Учёные применяют его в практических целях, кроме того, что оно помогло подтвердить общую теорию относительности. Линзирования послужило весомым аргументом в пользу существовании тёмной материи и помогает оценить её количество и распределение во вселенной.

А также гравитационное линзирование помогает заглянуть глубже в космос. Древнейшие известные галактики, которым всего несколько сот миллионов лет после большого взрыва были открыты именно при помощи гравитационного линзирования. А ещё оно увеличивает объекты, которые находятся ближе. А один из способов обнаружения экзопланет — это гравитационная микролинзирование, когда компактные звёзды действуя как слабые линзы, изгибают свет, позволяя зафиксировать более тусклые объекты, которые не видны в обычных условиях. Это, безусловно, далеко не всё и каждый из перечисленных примеров имеет множество нюансов и заслуживает отдельной статьи.

Надеюсь, данная статья была полезна для вас, и вы полностью разобрались в этом вопросе. Будут вопросы, пишите в комментариях, всегда рад помочь.

Гравитационная линза помогла разглядеть, как образуются галактики вроде нашей

Астрономы в абсолютном своём большинстве лишены возможности проводить эксперименты над предметами своих исследований. Уж слишком далеко они находятся, слишком долгие, астрономические, промежутки времени занимают происходящие в них процессы. К тому же масштабы этих процессов таковы, что ни о каком вмешательстве в небесные дела и речи быть не может.

Зато самих объектов для исследований – целая Вселенная, и сами законы нашего мира очень часто помогают астрономам в их работе.

Например, непосредственно увидеть, как эволюционируют галактики, эти огромные конгломераты из многих миллиардов звёзд, не представляется возможным: характерный временной масштаб, в котором происходят заметные изменения в их строении, в миллионы раз больше продолжительности жизни не только отдельных людей, но и всей нашей цивилизации. Но вместо этого можно просто смотреть на множество разных галактик, которыми буквально усыпано небо при наблюдениях в крупные телескопы, и сравнивать, чем близкие галактики отличаются от далёких.

Дело в том что старт всем процессам во всех частях Вселенной был, по современным представлениям, дан одновременно – в момент Большого взрыва около 13,7 миллиардов лет назад, после которого наш мир до сих пор продолжает расширяться. Свет же идёт с конечной скоростью, и наблюдая галактики, находящиеся от нас на расстоянии в 5 миллиардов световых лет, можно составить представление о том, как наша собственная Галактика — Млечный путь — выглядела через 8,7 миллиарда лет после начала времён, когда образовывалось Солнце. А рассматривая галактики на расстоянии в 10 миллиардов световых лет, – узнать, что с ней могло происходить 5 миллиардами лет раньше.

Правда, разглядывать объекты, находящиеся так далеко, очень сложно. Их размеры и яркость ничтожно малы, и чтобы за целую ночь накопить всего тысячу световых квантов, приходится строить огромные телескопы, устанавливать их на вершинах высоких гор, где наблюдениям меньше мешает атмосфера, а то и вовсе выводить в космос, где не мешают ни воздушный океан, ни рассеянный им свет Солнца.

Но иногда природа преподносит и совсем уж приятные сюрпризы. На помощь созданным человеком телескопам приходят телескопы естественные.

Это полезное явление называется гравитационным линзированием

. Гигантских стеклянных линз в космосе, конечно, нет. Но искривлять свет может не только кривая стеклянная поверхность, но и гравитационное поле – проходя мимо массивного тела, например, галактики, световые лучи от далёкого объекта изгибаются, как и в стеклянном телескопе прижимаясь к оптической оси, соединяющей источник и линзу. В этом случае объект, расположенный за линзой, покажется нам крупнее, а света от него придёт пропорционально больше.

close

Схема линзирования для объекта MACS J2135-0102 // Stark/Ellis/Caltech Digital Media Center/«Газета.Ru»

До сих пор это явление используют, в основном, для изучения свойств самих линз – например, измерения их масс и структуры распределения вещества в них. Гравитационное линзирование – по сути, единственный способ изучения загадочной тёмной материи, которая не излучает и не поглощает электромагнитного излучения, но обладает массой и притягивает к себе не только обычные атомы, но и световые лучи.

В последнее время, однако, гравитационные линзы стали использовать и как настоящие космические телескопы. Первый пример такого применения линз показали несколько лет назад французский астроном Жан-Поль Книб и его коллеги, сумевшие разглядеть галактики, которым всего несколько сот миллионов лет от роду, за массивными галактическими скоплениями, расположенными на луче зрения.

А в последнем номере Nature учёные под руководством Дэниэла Старка из Калифорнийского технологического института в Пасадене опубликовали статью

, в которой привели подробное описание галактики MACS J2135-0102.

Из него становится понятным, как образовывались звёздные системы, которым через 10 миллиардов лет суждено было стать гигантскими спиральными галактиками вроде нашего Млечного пути.

Сам объект MACS J2135-0102, расположенный в созвездии Водолея, был открыт несколько лет назад с помощью Космического телескопа имени Хаббла и представляет собой практически полное кольцо – так называемое кольцо Эйнштейна—Хвольсона, в которое далёкий источник спроецировало гравитационное поле эллиптической галактики-линзы, находящейся практически точно между нами и источником, примерно посередине этого пути.

Расстояние до галактики-линзы составляет около 6,5 миллиардов световых лет, до галактики-источника – 11,6 миллиарда световых лет, то есть свет, который мы видим размазанным по кольцу, был испущен, когда Вселенной было чуть больше 2 миллиардов лет от роду. Чтобы по-настоящему проникнуться масштабами, представьте себе, что в то время область пространства, где теперь находимся мы, находилась «за горизонтом» той части мира, где расположен источник, и лишь много позднее этот горизонт, расширяясь со скоростью света, добрался до нас.

Адаптивная оптика и лазерная звезда

Телескопы имени Кека с диаметром зеркала около 10 метров расположены в одном из лучших с точки зрения астрономии мест – на вершине одного из… →
MACS J2135-0102 прозвали «Космическим глазом» – за характерную форму. Кто бы мог подумать, что этот глаз позволит нам увидеть, как появились галактики, похожие на нашу собственную. Благодаря увеличению в этой космической лупе 10-метровый телескоп имени Кека, расположенный на Гавайях, смог накопить достаточно света разных длин волн, чтобы определить спектральный состав излучения для каждого отдельного элемента изображения, а сами элементы эти соответствуют участкам галактики всего около 500 световых лет в поперечнике. В таких подробностях далёкие галактики до сих пор ещё никто не видел – даже Космический телескоп имени Хаббла; а уж получить спектры для каждого пикселя, как это сделал прибор OSIRIS телескопа имени Кека, космический ветеран и вовсе не в состоянии.

Имея на руках полученные данные, учёные воссоздали облик и характер движения вещества в юной галактике, расположенной буквально на краю света.

Обратные задачи линзирования

Восстановление «портрета» – задача не из лгких, поскольку гравитационные линзы с общеоптической точки зрения – приборы… →
На восстановленном изображении астрономам предстала небольшая по современным меркам, но вполне себе средняя для молодой Вселенной галактика. Изучение смещения спектральных линий водорода и дважды ионизованного кислорода помогло установить скорости движения отдельных участков источника по отношению к его центру. Как выяснилось, скорость эта плавно растёт от одного края изображения к другому – северная часть галактики движется от нас, а южная – к нам.

На деле это означает, что мы видим вращение галактики, притом вращение плавное и спокойное. Его скорость позволяет оценить общую массу вещества в центре, которая оказалась равной примерно 2 миллиардам масс Солнца. Примерно такова и оценка массы всех светящихся звёзд, а значит, во-первых, в центре этой галактики нет какой-нибудь особо массивной чёрной дыры, которая бы весила, скажем, с десяток миллиардов масс Солнца, а во-вторых, в центре правит бал уже не тёмная материя, а обычное вещество.

По мнению авторов работы, в MACS J2135-0102 мы наблюдаем зарождение центральной области гигантской галактики.

Такая область есть и в Млечном пути – она называется «балджем», или вздутием, выпирающим по обе стороны галактического диска в центре нашей звёздной спирали. То обстоятельство, что никаких «посторонних» включений в профиле скорости нет и выглядит он очень ровным и гладким, по мнению авторов, доказывает, что «балджи» образуются при постепенном падении на центр окружающего его газа, а не путём поглощения карликовых галактик. Из выпавшего на центр галактики газа сразу (сразу — по астрономическим масштабам, то есть за миллионы лет) рождаются звёзды, что и позволяет MACS J2135-0102 так ярко светиться. Наблюдения в субмиллиметровом радиодиапазоне показали, что в этой галактике действительно много холодного газа, в котором значительную часть составляют молекулы водорода H2; из такого материала звёзды образовывать особенно удобно.

Что представляет собой «Космический глаз» в наши дни, сказать можно будет лишь через многие миллиарды лет, когда до нас доберётся свет, испущенный галактикой сегодня. Но задатки у неё самые замечательные. Не исключено, что за те 11,6 миллиардов лет истории, которые пока скрыты от нас, к «балджу» за счёт поглощения галактик-соседей присоединился диск, в диске появились спиральные рукава, а в одном из них родилась звезда с планетной системой. И кто знает, может быть, астрономы одной из этих планет сейчас смотрят в «Космический глаз» и по далёкому прошлому Млечного пути пытаются понять историю своего звёздного дома.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: